C++——多态

Posted 2022-02-14 小倪同学 -_-

文章目录

• 多态的概念
• 多态的定义及实现
• • 多态的构成条件
  • 虚函数
  • 虚函数的重写
  • 虚函数重写的两个例外
  • C++11 override和final
  • 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比
• 抽象类
• • 概念
  • 接口继承和实现继承
• 多态的原理
• • 虚函数表
  • 多态的原理
  • 动态绑定与静态绑定
• 单继承和多继承关系的虚函数表
• • 单继承中的虚函数表
  • 多继承中的虚函数表

多态的概念

通俗来说，就是多种形态，具体点就是去完成某个行为，当不同的对象去完成时会产生出不同的状态。

例如买票这个行为，当普通人买票时，是全价买票；学生买票时，是半价买票；军人买票时是优先买票。不同身份的人买票，所产生的行为是不同的，这就是多态。

多态的定义及实现

多态的构成条件

多态是在不同继承关系的类对象，去调用同一函数，产生了不同的行为。比如Student继承了Person。Person对象买票全价，Student对象买票半价。

那么在继承中要构成多态还有两个条件：

1. 必须通过基类的指针或者引用调用虚函数。
2. 被调用的函数必须是虚函数，且派生类必须对基类的虚函数进行重写。

虚函数

被virtual修饰的类成员函数被称为虚函数。

class Person

public:
	//被virtual修饰的类成员函数
	virtual void BuyTicket()
	
		cout << "买票-全价" << endl;
	
;

注意：

• 只有类的非静态成员前可以加virtual，普通函数前不能加virtual
• 虚函数的virtual和虚继承中的virtual没有任何关系。虚函数的virtual是为了实现多态，而虚继承的virtual是为了解决菱形继承的数据冗余和二义性。

虚函数的重写

虚函数的重写(覆盖)：派生类中有一个跟基类完全相同的虚函数(即派生类虚函数与基类虚函数的返回值类型、函数名字、参数列表完全相同)，称子类的虚函数重写了基类的虚函数。

例：

//父类
class Person

public:
	//父类的虚函数
	virtual void BuyTicket()
	
		cout << "买票-全价" << endl;
	
;
//子类
class Student : public Person

public:
	//子类的虚函数重写了父类的虚函数
	virtual void BuyTicket()
	
		cout << "买票-半价" << endl;
	
;

这时我们可以通过父类Person的指针或引用调用虚函数，此时不同类型的对象，调用的就是不同的函数，产生的也是不同的结果，进而实现了函数调用的多种形态。

void Func(Person& p)

	//通过父类的引用调用虚函数
	p.BuyTicket();

void Func(Person* p)

	//通过父类的指针调用虚函数
	p->BuyTicket();

int main()

	Person ps;
	Student st;

	Func(ps);
	Func(st);

	Func(&ps);
	Func(&st);
	return 0;

注意： 在重写基类虚函数时，派生类的虚函数不加virtual关键字也可以构成重写，主要原因是因为继承后基类的虚函数被继承下来了，在派生类中依旧保持虚函数属性。但是这种写法不是很规范，建议在派生类的虚函数前也加上virtual关键字。

虚函数重写的两个例外

1. 协变(基类与派生类虚函数返回值类型不同)

派生类重写基类虚函数时，与基类虚函数返回值类型不同。即基类虚函数返回基类对象的指针或者引用，派生类虚函数返回派生类对象的指针或者引用时，称为协变。

例：
下面代码中基类Person返回基类A的指针，派生类Student返回派生类B的指针,也可认为派生类Student的虚函数重写了基类Person的虚函数.

class A;
class B : public A ;
class Person 

public:
	virtual A* f() 
	 
		cout << "virtual A* f()" << endl;
		return new A; 
	
;
class Student : public Person 

public:
	virtual B* f() 
	 
		cout << "virtual B* f()" << endl;
		return new B; 
	
;
int main()

	Person p;
	Student st;

	Person* ptr1 = &p;
	Person* ptr2 = &st;

	ptr1->f(); 
	ptr2->f(); 
	return 0;

2. 析构函数的重写(基类与派生类析构函数的名字不同)

如果基类的析构函数为虚函数，此时派生类析构函数只要定义，无论是否加virtual关键字，都与基类的析构函数构成重写，虽然基类与派生类析构函数名字不同。

例：
下面代码中父类Person和子类Student的析构函数构成重写。

//父类
class Person

public:
	virtual ~Person()
	
		cout << "~Person()" << endl;
	
;
//子类
class Student : public Person

public:
	virtual ~Student()
	
		cout << "~Student()" << endl;
	
;

那么为什么子类和父类的析构函数要构成重写呢？

因为子类的析构函数会被父类隐藏，调用子类的析构函数实际上是调用父类的析构函数，自己的成员变量得不到释放，会造成内存泄漏。重写可以有效的解决这个问题。

C++11 override和final

从上面可以看出，C++对函数重写的要求比较严格，有些情况下由于疏忽可能会导致函数名的字母次序写反而无法构成重写，而这种错误在编译期间是不会报错的，直到在程序运行时没有得到预期结果再来进行调试会得不偿失，因此，C++11提供了final和override两个关键字，可以帮助用户检测是否重写。

1. final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写，如果重写编译器报错

例：
当父类Car的虚函数Drive被final修饰时，子类的虚函数Drive无法构成重写

// 父类
class Car

public:
	virtual void Drive() final 
	
;
// 子类
class Benz :public Car

public:
	// 无法构成重写
	virtual void Drive() 
	 
		cout << "Benz-舒适" << endl; 
	
;

2. override：检查派生类虚函数是否重写了基类的某个虚函数，如果没有重写则编译报错。

例：
当子类Benz的虚函数Drive被override修饰时，如果该虚函数没有重写就报错

// 父类
class Car
public:
	virtual void Drive()
	
;
// 子类
class Benz :public Car 
public:
	//子类没有完成了父类虚函数的重写，编译报错
	virtual void Drive(int i) override 
	 
		cout << "Benz-舒适" << endl; 
	
;

重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

抽象类

概念

在虚函数的后面写上 =0 ，则这个函数为纯虚函数。包含纯虚函数的类叫做抽象类（也叫接口类），抽象类不能实例化出对象。派生类继承后也不能实例化出对象，只有重写纯虚函数，派生类才能实例化出对象。

例

//抽象类（接口类）
class Car

public:
	//纯虚函数
	virtual void Drive() = 0;
;
//派生类
class Benz : public Car

public:
	//重写纯虚函数
	virtual void Drive()
	
		cout << "Benz-舒适" << endl;
	
;
//派生类
class BMV : public Car

public:
	//重写纯虚函数
	virtual void Drive()
	
		cout << "BMV-操控" << endl;
	
;
int main()

	//Car c; //抽象类不能实例化出对象,编译器报错

	//派生类重写了纯虚函数，可以实例化出对象
	Benz b1;
	BMV b2;
	//不同对象用基类指针调用Drive函数，完成不同的行为
	Car* p1 = &b1;
	Car* p2 = &b2;
	p1->Drive();  
	p2->Drive(); 
	return 0;

抽象类存在的意义：

抽象类很好的体现了虚函数的继承是一种接口继承，强制子类去重写纯虚函数，因为子类不重写的话，那么子类也是抽象类也不能实例化出对象。

接口继承和实现继承

实现继承： 普通函数的继承是一种实现继承，派生类继承了基类函数的实现，可以使用该函数。

接口继承： 虚函数的继承是一种接口继承，派生类继承的是基类虚函数的接口，目的是为了重写，达成多态。

建议： 所以如果不实现多态，就不要把函数定义成虚函数。

多态的原理

虚函数表

先看一道笔试题

下面代码中sizeof(Base)是多少？

class Base

public:
	virtual void Func1()
	
		cout << "Func1()" << endl;
	
private:
	int _b = 1;
;

运行一下结果为8

在Base类中除了_b成员，还多一个__vfptr放在对象的前面(注意有些平台可能会放到对象的最后面，这个跟平台有关)。对象中的这个指针我们叫做虚函数表指针。一个含有虚函数的类中都至少都有一个虚函数表指针，因为虚函数的地址要被放到虚函数表中。虚函数表也简称虚表。

那么虚函数表中又存放了什么呢?

有如下代码，Base类当中有三个成员函数，其中Func1和Func2是虚函数，Func3是普通成员函数，子类Derive当中仅对父类的Func1函数进行了重写。

class Base

public:
	virtual void Func1()
	
		cout << "Base::Func1()" << endl;
	
	virtual void Func2()
	
			cout << "Base::Func2()" << endl;
	
	void Func3()
	
		cout << "Base::Func3()" << endl;
	
private:
	int _b = 1;
;
class Derive : public Base

public:
	virtual void Func1()
	
		cout << "Derive::Func1()" << endl;
	
private:
	int _d = 2;
;
int main()

	Base b;
	Derive d;
	return 0;

通过观察和测试，我们发现了以下几点问题：

1. 派生类对象d中也有一个虚表指针，d对象由两部分构成，一部分是父类继承下来的成员，虚表指针存在其中，另一部分是自己的成员。
2. 基类b对象和派生类d对象虚表是不一样的，这里我们发现Func1完成了重写，所以d的虚表中存的是重写的Derive::Func1，所以虚函数的重写也叫作覆盖，覆盖就是指虚表中虚函数的覆盖。重写是语法的叫法，覆盖是原理层的叫法。
3. 另外Func2继承下来后是虚函数，所以放进了虚表，Func3也继承下来了，但是不是虚函数，所以不会放进虚表。
4. 虚函数表本质是一个存虚函数指针的指针数组，一般情况这个数组最后面放了一个nullptr。
5. 派生类的虚表生成：a.先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类虚表中 b.如果派生类重写了基类中某个虚函数，用派生类自己的虚函数覆盖虚表中基类的虚函数 c.派生类自己新增加的虚函数按其在派生类中的声明次序增加到派生类虚表的最后。
6. 意虚表存的是虚函数指针，不是虚函数，虚函数和普通函数一样的，都是存在代码段中，只是他的指针存到了虚表中。另外对象中存的不是虚表，存的是虚表指针。

多态的原理

那么多态的原理到底是什么?

下面代码中为什么当父类Person指针指向的是父类对象Mike时，调用的就是父类的BuyTicket，当父类Person指针指向的是子类对象Johnson时，调用的就是子类的BuyTicket?

// 父类
class Person 
public:
	virtual void BuyTicket() 
	 
		cout << "买票-全价" << endl; 
	
;
// 子类
class Student : public Person 

public:
	virtual void BuyTicket() 
	 
		cout << "买票-半价" << endl; 
	
;
void Func(Person& p) 

	p.BuyTicket();

int main()

	Person Mike;
	Func(Mike);

	Student Johnson;
	Func(Johnson);
	return 0;

通过调试可发现

1. p是指向mike对象时，p->BuyTicket在mike的虚表中找到虚函数是Person::BuyTicket。
2. p是指向johnson对象时，p->BuyTicket在johson的虚表中找到虚函数是Student::BuyTicket。

因为子类的虚函数重写了父类的虚函数，让它们各自虚表的指针指向不同的虚函数，这样就实现了调用子类和父类中同名函数可以实现不同行为。

反过来思考一下我们要达到多态，有两个条件，一个是虚函数覆盖，一个是对象的指针或引用调用虚函数。虚函数的重写是因为完成子类虚表当中虚函数地址的覆盖，那为什么必须使用父类的指针或者引用去调用虚函数呢？为什么使用父类对象去调用虚函数达不到多态的效果呢？

使用父类指针或者引用时，会对虚表指针做出调整（重写），让虚表指针指向不同的虚表，最终调用不同的函数。

使用父类对象时，会调用自己的拷贝构造函数，将虚表指针初始化为指向父类的虚函数，并不会指向子类的虚函数。

动态绑定与静态绑定

静态绑定： 静态绑定又称为前期绑定(早绑定)，在程序编译期间确定了程序的行为，也成为静态多态，比如：函数重载。
动态绑定： 动态绑定又称为后期绑定(晚绑定)，在程序运行期间，根据具体拿到的类型确定程序的具体行为，调用具体的函数，也称为动态多态。

实例：

//父类
class Person

public:
	virtual void BuyTicket()
	
		cout << "买票-全价" << endl;
	
;
//子类
class Student : public Person

public:
	virtual void BuyTicket()
	
		cout << "买票-半价" << endl;
	
;

按如一般方式调用BuyTicket函数，则不构成多态，函数的调用是在编译时确定的。

int main()

	Student Johnson;
	Person p = Johnson; 
	p.BuyTicket();
	return 0;

若是按引用的方式调用BuyTicket函数，则构成多态，函数的调用是在运行时确定的。

int main()

	Student Johnson;
	Person& p = Johnson;
	p.BuyTicket();
	return 0;

这也和好理解，构成动态多态时，在程序运行之后才根据父类虚表指针找到虚表，再通过虚表找到虚函数。

单继承和多继承关系的虚函数表

单继承中的虚函数表

// 子类
class Base 
public:
	virtual void func1()  cout << "Base::func1" << endl; 
	virtual void func2()  cout << "Base::func2" << endl; 
private:
	int a;
;
// 父类
class Derive :public Base 
public:
	virtual void func1()  cout << "Derive::func1" << endl; 
	virtual void func3()  cout << "Derive::func3" << endl; 
	virtual void func4()  cout << "Derive::func4" << endl; 
private:
	int b;
;
int main()

	Base b;
	Derive d;
	return 0;

上图的监视窗口中我们看不见func3和func4。这里是编译器的监视窗口隐藏了这两个函数，我们可以从内存窗口观察一波。

下面将虚表的内容打印出来

typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vTable[])

	// 依次取虚表中的虚函数指针打印并调用。调用就可以看出存的是哪个函数
	cout << " 虚表地址>" << vTable << endl;
	for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i)
	
		printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%x,->", i, vTable[i]);
		VFPTR f = vTable[i];
		f();
	
	cout << endl;

int main()

	Base b;
	Derive d;

	VFPTR* vTableb = (VFPTR*)(*(int*)&b);
	PrintVTable(vTableb);
	VFPTR* vTabled = (VFPTR*)(*(int*)&d);
	PrintVTable(vTabled);
	return 0;

打印思路：
取出b、d对象的头4bytes，就是虚表的指针（虚函数表本质是一个存虚函数指针的
指针数组，这个数组最后面放了一个nullptr）

1. 先取b的地址，强转成一个int*的指针。
2. 再解引用取值，取到b对象头4bytes的值，这个值就是指向虚表的指针。
3. 再强转成VFPTR*，因为虚表就是一个存VFPTR类型(虚函数指针类型)的数组。
4. 虚表指针传递给PrintVTable进行打印虚表。
5. 需要说明的是这个打印虚表的代码经常会崩溃，因为编译器有时对虚表的处理不干净，虚表最后面没有放nullptr，导致越界，这是编译器的问题。我们只需要点目录栏的-生成-清理解决方案，再编译就好了。

多继承中的虚函数表

// 基类
class Base1 
public:
	virtual void func1()  cout << "Base1::func1" << endl; 
	virtual void func2()  cout << "Base1::func2" << endl; 
private:
	int b1;
;
// 基类
class Base2 
public:
	virtual void func1()  cout << "Base2::func1" << endl; 
	virtual void func2()  cout << "Base2::func2" << endl; 
private:
	int b2;
;
// 派生类
class Derive : public Base1, public Base2 
public:
	virtual void func1()  cout << "Derive::func1" << endl; 
	virtual void func3()  cout << "Derive::func3" << endl; 
private:
	int d1;
;
typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vTable[])

	cout << " 虚表地址>" << vTable << endl;
	for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i)
	
		printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%x,->", i, vTable[i]);
		VFPTR f = vTable[i];
		f();
	
	cout << endl;

int main()

	Derive d;
	VFPTR* vTableb1 = (VFPTR*)(*(int*)&d);
	//打印派生类对象d的第一个虚表地址及其内容
	PrintVTable(vTableb1);
	//打印派生类对象d的第二个虚表地址及其内容
	VFPTR* vTableb2 = (VFPTR*)(*(int*)((char*)&d + sizeof(Base1)));
	PrintVTable(vTableb2);
	return 0;
C++多态

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 多态 笔记
 [ C++ ] 抽象类 虚函数 虚函数表 -- C++多态
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